“Construcción de un prototipo de Generador Eólico”
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UNIVERSIDAD DE EL SALVADOR Facultad Multidisciplinaria Oriental Departamento de Ingeniería y Arquitectura Mecánica de fluidos Tema: Dinámica de los fluidos “Construcción de un prototipo de Generador Eólico” Proyecto de mecánica de Fluidos 1
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El viento es el movimiento en masa del aire en la atmósfera, que puede ser aprovechado de manera eficaz. Este es un experimento a escala de un Aerogenerador, que es una máquina que transforma la energia del viento en energía aprovechable.
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UNIVERSIDAD DE EL SALVADOR
Facultad Multidisciplinaria Oriental Departamento de Ingeniería y Arquitectura
Mecánica de fluidos
Tema: Dinámica de los fluidos“Construcción de un prototipo de Generador Eólico”
Proyecto de mecánica de Fluidos
Ciudad universitaria, martes 21 de junio de 2011
1
INDICE
Objetivos. . . . . . . . . .3
Preguntas de la investigación . . . . . .4
Planteamiento . . . . . . . .5
Justificación . . . . . . . . .6
Viabilidad . . . . . . . .7
Alcances del proyecto . . . . . . .8
Hipótesis. . . . . . . . . .9
Marco teórico . . . . . . . .10-18
Origen de los vientos . . . . . . .10
Historia de la Energía Eólica . . . . .12.
DEFINICION . . . . . . . .14
Principio de operación de las máquinas eólicas . . .15
Rendimiento de un Aerogenerador . . . . .16
Ecuación para generar la Energía Eléctrica . . .17
Para la distribución del viento . . . . .20
Procedimiento . . . . . . . .22
Descripción de las partes del Generador . . . .22
Pasos para la construcción del generador . . . .23
Diagrama de bloque para la corriente. . . . .27
Procedimiento de cálculo . . . . . . .28
Encontrando datos reales. . . . . . .30
Memoria de cálculo . . . . . . .33
Diferencias Relativas Porcentuales . . . .36
Conclusiones y recomendaciones. . . . . .37
Bibliografía . . . . . . . . .38
2
¿Qué beneficios produce el construir una máquina que
transforma el viento en energía aprovechable?
OBJETIVOS
Analizar la relación que existe entre la potencia producida por un generador
eólico y la cantidad de energía eléctrica generada en el proceso.
Calcular la potencia eléctrica que produce la energía del viento como una
alternativa de abastecimiento energético.
Calcular la velocidad de las aspas al transformar la energía cinética en energía
mecánica.
3
PREGUNTAS DE LA INVESTIGACION:
¿Qué factores influyen en el proceso de generación de energía eléctrica por medio de
energía eólica?
¿Existe una relación entre la cantidad de viento producido por un generador eólico y
la obtención de energía eléctrica?
¿Cuál es la eficacia de la realización de este método de obtención de energía?
4
PLANTEMIENTO
El proyecto está relacionado con el tema: “Construcción de un prototipo de turbina
eólica para generar energía eléctrica”, tiene como finalidad calcular la relación de la
potencia que genera el viento contra la potencia eléctrica producida al generarse este
viento, específicamente calcular la eficacia de este método de obtención de energía. Se
pretende identificar la razón por la que este método es factible a la hora de obtener
energía eléctrica.
El proyecto se realizara a través de un experimento a escala de un Generador eólico o
Aerogenerador, que es básicamente un sistema de aspas el cual estará conectado a un
generador eléctrico con el objetivo que provechar la energía del viento para mover las
aspas del molino y producir energía.
La energía producida por los aerogeneradores es completamente limpia, no produce
ningún tipo de contaminación ni residuos, por lo que se considera uno de los sistemas
de generación de energía más limpios que existen actualmente.
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JUSTIFICACION
El proyecto de investigación sobre se justifica por las siguientes razones:
Porque este es un método bastante eficaz para la obtención de energía para
suplir la demanda de energía eléctrica de la actualidad.
Este tipo de generadores se ha popularizado rápidamente al ser considerados
una fuente limpia de energía renovable, ya que no requieren, para la
producción de energía, una combustión que produzca residuos contaminantes
o gases implicados en el efecto invernadero.
Para la reducción de los costes anuales de la electricidad como resultado de la
producción de la misma por el sistema de energía eólica: debe tener en cuenta
expectativas futuras del precio de la electricidad
La investigación planteada podría a gran escala lograr:
Aumento de la eficiencia de la red eléctrica: si la energía se genera cerca de
punto de consumo, las pérdidas en la red eléctrica disminuyen.
Menores costes de servicio: después de su inversión inicial en energía eólica, la
factura mensual se verá reducida; el viento, después de todo, es gratis.
Protección del clima: los sistemas de energía eólica no emiten nada de dióxido
de carbono durante su funcionamiento.
Seguridad de suministro: si usa un sistema con baterías de almacenamiento, su
sistema eólico puede funcionar aunque no se suministre electricidad de la red
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VIABILIDAD
El proyecto será realizado por estudiantes de la carrera de Ingeniería Civil de la
Universidad de El salvador específicamente del curso de Mecánica de Fluidos.
Para llevar a cabo el proyecto se hace necesario mencionar una serie de materiales
que adquirimos para la construcción del Generador Eólico a escala, entre estos
materiales tenemos:
- Aspas
- taladro
- voltímetro (Tester)
- destornillador
- tornillos
- cables
- generador eléctrico
- aparato para soldar
- 8 bits o foquitos
- pedestal o torre
- martillo
- tenazas
- pasta de soldadura
- alambre de estaño
- cinta aislante
- Aerosol plateado
- Base de madera
- Tabla de terminales
- Terminales machos y hembras
- Clavos
- alambre de cobre
- breadboars o base de
construcción
- Anemómetro
Algunos materiales mostrados anteriormente fueron comprados, sin embargo los
materiales de mayor costo han sido adquiridos de manera gratuita o han sido
prestados temporalmente con el fin de disminuir en gastos.
ALCANCE DEL PROYECTO.
7
En el momento de iniciar a describir el alcance de este proyecto se tuvo en cuenta el
tipo de investigación a realizar, en este caso descriptiva, la cual consiste en llegar a
conocer las situaciones, costumbres y actitudes predominantes a través de la
descripción exacta de las actividades, objetos, procesos y personas.
El proyecto consiste en la generación de energía eléctrica a partir de fuentes
renovables como el viento, el objetivo de este consiste básicamente en la construcción
y operación de un generador de energía eólica, otro ítem que se tomara en cuenta es el
uso de herramientas para la elaboración de dicho generador el cual servirá para medir
el voltaje que la energía eólica transmite a través de él, este aspecto es importante, ya
que conociendo los recursos con los cuales se cuentan, es de esta manera como se
puede conocer que limites presenta el proyecto.
La generación de energía eólica es una tarea que la humanidad esta descubriendo no
solo como importante sino también como vital para el desarrollo de las futuras
generaciones
8
HIPOTESI
La energía eólica es un método viable para la obtención de energía
eléctrica
V.I La energía eólica
V.D: es un buen método viable para la obtención de energía eléctrica
U.A: energía eólica; obtención de energía eléctrica
La potencia producida por el generador es completamente aprovechada
por los diodos leds.
V.I: La potencia producida por el generador
V.D: es completamente aprovechada por los diodos leds
U.A: Potencia; diodos leds
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MARCO TEORICO
Origen de los vientos
En la Tierra, el viento es el movimiento en masa del aire en la atmósfera.
La primera descripción científica conocida del viento se debe al físico italiano
Evangelista Torricelli, quien enuncio que : ”Los vientos son producidos por diferencias
en la temperatura del aire, y por tanto de la densidad, entre dos regiones de la Tierra”
Otras fuerzas que mueven el viento o lo afectan son la fuerza de gradiente de presión,
el efecto Coriolis, las fuerzas de
flotabilidad y de fricción y la
configuración del relieve.
Pero el calentamiento dispar de la
superficie terrestre por acción de la
radiación solar es el principal
causante de los vientos. En las
regiones ecuatoriales se produce
una mayor absorción de radiación
solar que en las polares; el aire
caliente que se eleva en los trópicos
es reemplazado por las masas de
aire fresco superficiales
proveniente de los polos. El ciclo se
cierra con el desplazamiento, por la
alta atmósfera, del aire caliente
hacia los polos.
10
Circulación planetaria en donde se puede observarla circulación general de los vientos. En el centro se
observan patrones definidos de los vientos Figura 1
Esta circulación general, que sería la observada si la tierra no girase, se ve
profundamente alterada por el movimiento de rotación de la tierra generando zonas
de vientos dominantes que responden a patrones definidos (figura 1).
A lo largo de un año las variaciones estacionales de la radiación solar incidente
provocan variaciones en la intensidad y dirección de los vientos dominantes en cada
uno de los puntos de la corteza terrestre.
Además del movimiento general de la atmósfera, que define los vientos dominantes
en las grandes regiones de la tierra, al estar ésta más caliente, existen fenómenos de
características locales que originan estructuras particulares de los vientos. Tal es el
caso de las brisas de tierra
y de mar, motivadas por el
calentamiento desigual de
las masas de aire.
Durante el día se generan
a lo largo de la costa
vientos desde el mar hacia
tierra, revirtiéndose el
proceso en horas
nocturnas (Figura 2).
Un fenómeno similar sucede en zonas montañosas donde las
brisas de montaña y de valle son originadas por el
calentamiento del aire en contacto con las laderas,
generándose corrientes ascendentes durante las horas de sol
y descendentes durante la noche.
Es importante señalar que la velocidad del viento varía con
la altura y depende fundamentalmente de la naturaleza
del terreno sobre el cual se desplazan las masas de aire.
(figura 3).
11
Figura 2Generacion de vientos
Figura 3
La variación de velocidad puede representase mediante la siguiente expresión:
V2V1
= [h1h2 ]
α
Dónde:
V1 < V2 representan las velocidades del viento a las alturas h1 < h2,
respectivamente. α caracteriza al terreno.
Historia de la Energía Eólica
El uso más antiguo de la energía eólica del que se tiene documentación es como medio
de locomoción. Existen dibujos egipcios, de 5000 años de antigüedad, que muestran
naves con velas utilizadas para trasladarse por el Nilo. Hasta el siglo XIX, con el
perfeccionamiento e introducción de las máquinas de vapor, la navegación dependió
casi exclusivamente de este recurso energético. Ya en el siglo XX, con la invención de
los motores de combustión interna, la navegación a vela quedo relegada solo a las
actividades deportivas y a algunas actividades comerciales en pueblos costeros.
Recientemente, sobre todo motivadas por los aumentos de los precios del petróleo de
los años 1973 y 1979, se realizaron experiencias y construyeron barcos prototipo que
utilizan la energía eólica como medio para ahorrar combustible. En transporte
transoceánico, con los diseños actuales, podrían alcanzarse ahorros del orden del
10%.
Las primeras máquinas eólicas de las que se tiene documentación datan del siglo VI
d.C.. Eran de eje vertical (Figura 4) y se las utilizaba para moler granos y bombear
agua.
Con posterioridad, se desarrollaron molinos de viento de eje horizontal (Figura 5)
cuya principal característica fue la utilización de velas triangulares a modo de palas.
Aún hoy son utilizados para moler granos.
12
En el siglo XI d.C. los molinos de viento eran extensivamente utilizados en el Medio
Oriente. Recién en el siglo XIII y como consecuencia de las Cruzadas fueron
introducidos en Europa.
A fines del siglo XV se construyeron los primeros molinos de viento para la
elaboración de aceites, papel y procesar la madera en aserraderos.
A comienzos del siglo XVI se empezaron a utilizar para el drenaje de "pólder",
empleándose máquinas de hasta 37 kW (50 HP) cada una, (ver Figura 6).
A mediados del siglo XIX cerca de 9000 molinos operaban en Holanda con diferentes
propósitos, algunos de hasta 65 kW (90 HP). Con la introducción de las máquinas de
vapor durante la Revolución Industrial comenzaron a declinar y menos de 1000
máquinas estaban en condiciones de operación a mediados del siglo XX.
Los países industrializados focalizaron sus desarrollos en el abastecimiento de
energía eléctrica. Los logros alcanzados en el plano de la investigación y desarrollo y,
más aún, en las tecnologías de producción de turbinas eólicas, han hecho que, en el
presente, el recurso eólico haya dejado de ser una potencial alternativa de
13
Figura 4
Molino denominado “Panemonas”
Figura 5
“Molino griego”
Figura 6
Molino denominado “Polders”
abastecimiento para convertirse en una realidad. Las turbinas eólicas son hoy una
opción más en el mercado de la generación eléctrica.
De ahí que el hombre en los últimos años de la historia ha desarrollado métodos
industriales que han hecho su vida más fácil y agradable en muchos aspectos. Sin
embargo el alto coste de la energía ha ido en aumento de manera que como una
alternativa para suplir esta demanda energética se ha comenzado a utilizar cada vez
con mayor frecuencia un método alternativo de obtención de energía eléctrica como
lo es la obtención de ENERGIA EOLICA.
DEFINICION:
Energía Eólica es la energía obtenida del viento, es decir, la energía cinética
generada por efecto de las corrientes de aire, y que es transformada en otras formas
útiles para las actividades humanas, en este caso
obtención de energía eléctrica.
Esta energía obtenida a través de aerogeneradores que
son generador eléctrico movido por una turbina
accionada por el viento. (Figura 7)
En energía eólica, este tipo de energía se capta en
paletas de rotor que giran según fluye el viento
alrededor de las mismas o choca contra ellas. Las
paletas convierten la energía cinética del viento en
energía mecánica. El rotor se conecta al eje y el par
motor en el eje, creado por la rotación de las paletas,
puede hacer trabajos mecánicos o generar electricidad.
14
Figura 7Campo de AEROGNERADORES
Principio de operación de las máquinas eólicas
Aunque existen dos tipos básicos de molinos, eje horizontal y eje vertical, el principio
de operación es esencialmente el mismo. La captación de la energía eólica se realiza
mediante la acción del viento sobre las palas, las cuales están unidas al eje a través de
un elemento denominado cubo (conjunto que recibe el nombre de rotor). El principio
aerodinámico, por el cual este conjunto gira, es similar al que hace que los aviones
vuelen.
Según este principio:
“el aire que es obligado a fluir por las caras superior e inferior de una placa o perfil
inclinado (ver Figura ) genera una diferencia de presiones entre ambas caras, dando
origen a una fuerza resultante (R) que actúa sobre el perfil.” (figura 8).
15
Descomponiendo esta fuerza en dos direcciones se obtiene:
a) la fuerza de sustentación (S), o simplemente sustentación, de dirección
perpendicular al viento.
b) la fuerza de arrastre (A), de dirección paralela al viento.
Para favorecer la circulación del aire sobre la superficie de las palas, evitar la
formación de torbellinos y maximizar la diferencia de presiones, se eligen perfiles de
pala con formas convenientes desde el punto de vista aerodinámico. Según como
estén montadas las palas con respecto al viento y al eje de rotación, la fuerza que
producirá el par motor será dominantemente la fuerza de arrastre o la de
sustentación.
Rendimiento de un Aerogenerador
16
Ecuación para generar la Energía Eléctrica
El viento que llega a las hélices de un aerogenerador lleva una energía cinética por
unidad de tiempo igual a:
dEcdt
=12dmdtV 2
Dónde:
v2 donde v es la velocidad del viento
Mientras que el caudal másico equivale a:
dmdt
=dVoldt
=A dxdt
=AV
Donde:
Es la densidad del aire
A la superficie barrida por las aspas de la hélice.
Por tanto tenemos en definitiva si sustituimos la ecuación del caudal másico en la
primer ecuación tenemos:
dEcdt
=12(AV )V 2
dEcdt
=12AV 3
La potencia eléctrica generada vendrá entonces dada por:
17
Pel=η dEcdt
=η 12δA V 3
Siendo η la eficiencia del modelo de hélice (pudiendo ser un % de fabricación o un
valor supuesto)
La densidad del aire depende del valor diario de la presión y temperatura de la
atmósfera, pero tomaremos un valor medio = 1,25 kg /m3, que al multiplicarlo por
el área da un valor de aproximadamente 1. Por lo tanto, podemos expresar la potencia
obtenible de una máquina eólica, tomando el diámetro en metros y la velocidad en
metros por segundo, como:
P » ½ h V3
Además existen unos valores de corte máximo y mínimo para la velocidad del viento
por encima o debajo de los cuales la hélice no funciona. Dependiendo si el viento es
capaz de mover el rotor (corte mínimo) o si excede el caudal de resistencia (corte
máximo).
Para la obtención de energía
La corriente o intensidad eléctrica es el flujo de carga por unidad de tiempo que
recorre un material. Se debe a un movimiento de los electrones en el interior del
material. En el Sistema Internacional de Unidades se expresa en C/s (culombios sobre
segundo), unidad que se denomina amperio. Una corriente eléctrica, puesto que se
trata de un movimiento de cargas, produce un campo magnético, lo que se aprovecha
en el electroimán.
18
El instrumento usado para medir la intensidad de la corriente eléctrica es el
galvanómetro que, calibrado en amperios, se llama amperímetro, colocado en serie
con el conductor cuya intensidad se desea medir.
Según la ley de Ohm, la intensidad de la corriente es igual al voltaje dividido por la
resistencia que oponen los cuerpos:
I=VR
Dónde: V: Voltaje ; R: resistencia
Para la potencia
La potencia eléctrica es la relación de paso de energía de un flujo por unidad de
tiempo; es decir, la cantidad de energía entregada o absorbida por un elemento en un
tiempo determinado (p = dW / dt). La unidad en el Sistema Internacional de Unidades
es el vatio o watt, que es lo mismo.
Cuando una corriente eléctrica fluye en un circuito, puede transferir energía al hacer
un trabajo mecánico o termodinámico. Los dispositivos convierten la energía eléctrica
de muchas maneras útiles, como calor, luz (lámpara incandescente), movimiento
(motor eléctrico), sonido (altavoz) o procesos químicos. La electricidad se puede
producir mecánica o químicamente por la generación de energía eléctrica, o también
por la transformación de la luz en las células fotoeléctricas. Por último, se puede
almacenar químicamente en baterías.
P=IV
Para la distribución de energía en los diodos leds
19
Caída de voltaje del LED, es el voltaje necesario para el funcionamiento del
LED, generalmente esta entre 1.7 y 3.3 voltios, depende del color del diodo y
de la composición de metales, a continuación se muestra las caídas de voltajes
de varias clases de LED.}
Tipo de diodoDiferencia de potencial típica
(voltios)
Rojo de bajo brillo 1.7 voltios
Rojo de alto brillo, alta eficiencia y baja
corriente1.9 voltios
Naranja y Amarillo 2 voltios
Verde 2.1 voltios
Blanco brillante, verde brillante y azul 3.4 voltios
Azul brillante y LED especializados 4.6 voltios
20
Rango de corriente del LED, es determinado por el fabricante, usualmente
está en el rango de unos pocos miliamperios pero principalmente oscila entre
los 10mA y 20mA.
Para la distribución del viento
El viento generalmente tiene cambios continuos de velocidad. Pero si consideramos
una serie de intervalos de velocidad, a lo largo un tiempo determinado, entonces para
cada intervalo de velocidad del viento podemos calcular su potencia y durante que
fracción del tiempo el viento soplará con esa velocidad, y por tanto podemos calcular
la energía eléctrica generada en ese tiempo exacto siempre y cuando esa velocidad
esté comprendida entre las velocidades de corte mínima y máxima.
Para realizar el cálculo se supondrá que las hélices del generador eólico se orientan
con respecto al viento para recibirlo de cara en todo momento. Y para medir la
velocidad de dicho viento se cuenta con un anemómetro pudiéndose ser este
electrónico o casero.
Es imposible subestimar la importancia que los vientos tienen para la vida de
animales y plantas, para el restablecimiento del equilibrio en la atmósfera y,
lógicamente, para la producción del ciclo hidrológico. Es por ello que, lo mismo que
puede decirse con relación al ciclo hidrológico, el viento constituye uno de los factores
esenciales que explican la vida sobre la superficie terrestre. Sin la existencia de los
vientos, la vida para animales y plantas sería imposible.
21
Descripción de las partes del Generador Eólico
Para describir el generador eólico es necesario enumerar las partes que lo conforman
y antes de comenzar a ensamblar todas las piezas en su respectivo lugar, es necesario
explicar cada una de las partes y el proceso al cual serán sometidas.
1. Aspas.
Aparato exterior del generador formado por brazos, el cual se fija al eje para que
gracias a la fuerza del viento pueda girar. Las aspas de este diseño están hechas de
plástico; Para su completa presentación es necesaria la utilización de pintura en
aerosol color plata y de pegamento para fijarlas de manera que no se despeguen o
sufran algún percance.
Se eligieron aspas de plástico, porque el material utilizado debe ser ligero para que las
aspas sean flexibles y a la vez que fuertes ya que de ellas dependerá cuanto se
aprovecha de la fuerza del viento, si las palas no son buenas, el aprovechamiento no
será óptimo. Se coloca una tapa redonda en la punta de las aspas, evitando así la
resistencia del aparato al viento y repartiendo más aire aún hacia las palas.
2. Eje.
Es la línea recta y es una parte fundamental sobre la cual se fijaran permanentemente
las aspas para que estas puedan girar libremente sobre este eje y se encuentra
conectado directamente del generador; También es el elemento constructivo
destinado a guiar el movimiento de rotación de las aspas.
22
De no seguir el procedimiento planteado las aspas debido a la fuerza del viento se
romperían o desprenderían de su eje. Por tanto, se hace muy importante fijar de
manera permanente y segura las aspas.
3. Generador Eléctrico.
La diferencia entre un motor y un generador radica en que un motor transforma la
energía eléctrica en mecánica, el generador eléctrico transforma la energía mecánica
en eléctrica; pero tendrá un motor la capacidad de funcionar como un generador
eléctrico, en efecto esto se puede comprobar al desarmar el motor identificamos el
rotor, estrator, los imanes y luego de investigar podemos determinar que la parte
fundamental del análisis es que la conexión de los cables debe basarse en los polos del
embobinado para así determinar de dónde sale la energía luego se pasa a soldar los
cables en los determinados polos.
En general, un generador eléctrico es todo dispositivo capaz de mantener una
diferencia de potencial eléctrico entre dos de sus puntos, llamados polos, terminales o
bornes. Por razones de estética se pinta el caparazón del generador de color plata.
4. Cables.
Son conductores de cobre recubierto de un material aislante protector, uno positivo
otro negativo ambos cables soldados directamente del generador hasta los terminales
machos y hembras tipo lagartos.
Estos cables transmiten la energía mecánica transformada en eléctrica del generador
hacia los terminales, estos a su vez transmiten esta energía hasta los bits para que
estos últimos enciendan.
5. Mástil o Torre.
23
Tubo solido de acero que sostiene todo el dispositivo este tubo esta recubierto con un
material de tipo plástico color negro, este se fija en la base de madera con cuatro
clavos; A la cual se le harán cuatro agujeros con un taladro en la parte superior por
donde se introducirán los cables de cobre reforzado para formar el soporte central y
fijar el generador.
6. Base de madera.
Base rectangular de madera de cedro completamente barnizada, con medida de 50 x
25 cm. Sobre la cual se fijara justo en el centro la torre con cuatro clavos y se harán las
debidas conexiones entre los cables, terminales y sobre la base se colocara la tabla de
terminales donde están colocados los bits.
7. Tabla de terminales (donde estarán los bits o foquitos).
Tabla color bronce con muchos agujeros donde se insertaran los bits, por debajo de
esta tabla saldrán los cables hasta un terminales machos que se unirán con los
terminales hembra cuyo cable viene directamente desde el generador.
8. Velocímetro de Bicicleta:
Es un aparato que se usa para medir la velocidad del viento en las aspas al ser
aplicado sobre ellas viento.
24
Pasos para la construcción del Generador Eólico
El experimento consta de seis partes principales a continuación, se enumeran
detalladamente cada uno de los pasos a seguir para construir el generador eólico
25
z
GENERADOR EOLICO
Paso 1.
Fijar la torre con cuatro clavos en la base de madera. Hacer cuatro agujeros en la parte
superior con un taladro.
Paso 2.
26
Soldar los cables en los respectivos polos del generador, cubrir el generador con su
cubierta externa previamente pintada en color plata. Introducir Alambre de cobre en
los agujeros de la torre para fijar el generador de manera que este no se mueva con la
fuerza del viento.
Paso 3.
Pegar permanentemente las aspas en el eje del generador, Fijar los cables que van del
generador a los terminales a la torre con cinta aislante.
Paso 4.
Colocar los bits en tabla de terminales, hacer las respectivas conexiones eléctricas
para que los bits enciendan al girar las aspas del generador. Fijar la tabla de
terminales en la base de madera.
Paso 5.
Generar viento artificial con una secadora de cabello y probar el funcionamiento
correcto si los bits encienden, hemos logrado el objetivo principal transformar energía
mecánica en energía eléctrica.
Paso 6.
Realizar los cálculos respectivos, para demostrar prácticamente la eficacia del
proyecto; Podemos apoyarnos con ayuda de un Tester para comprobar los resultados.
Diagrama de bloque para la corriente
Representación gráfica, de las conexiones realizadas en el circuito del Generador
Eólico, donde se puede identificar cada diodo LED y con su respectiva resistencia.
27
CIRCUITO EN PARALELO
Cada diodo LED cuenta con una resistencia que lo protege de quemarse, están conectados en paralelo, tanto los diodos LED como las resistencias.
Cuando el viento hace girar las aspas transforma la energía mecánica en eléctrica atreves del generador y conduce una corriente que alimenta los LED para que estos enciendan.
Procedimiento de cálculo
Para las aspas:
28
R3
R2
R1
AMARILLO LED
VERDE LED
ROJO LED
+ -
El aire pasa sobre la parte superior del aspa más rápido que sobre las parte inferior.
La velocidad más alta sobre el aspa provoca un ascenso o tirón hacia arriba que la
hace girar sobre el eje que conecta al generador. Este principio es el que mantiene las
aves y aeroplanos en vuelo
Se obtendrá la velocidad de las aspas barrida al comenzar a girar por la ecuación de
potencia para un generador eólico:
P=η 12ρAVel3
Despejando la Velocidad producida por las aspas tenemos:
Vel= 3√ 2PηρA
Para el motor Generador Eléctrico
- Corriente eléctrica (I)
Para obtener el valor de la corriente generada se tiene que:
I=VR
Donde el V (voltaje) y R (resistencia) se medirán con un Tester
Además la ITOT será igual a la suma de toda la corriente producida en cada uno de los Leds:
I TOT=∑ I
- Potencia (P)
Para obtener el valor de la potencia se tiene :
P=V D I
Donde P= potencia (Watts) ; V=voltaje del diodo(Volt) ; I=corriente (Ampere)
29
En esta ecuación se tiene que para el voltaje:
V= IR
Dónde: R=Resistencia (Ohm Ω)
Sin embargo la corriente se debe de calcular la corriente como el cociente del voltaje de la resistencia entre la resistencia, debido a que es necesaria en encontrar la potencia de cada diodo
I=V RR
VR¿voltaje Del resistor
La potencia total ejercida por el generador es igual a la suma de la potencias de cada diodo LED debido a que presentan diversos colores y cada uno experimenta diferente potencia
PTOT=∑ P
Dónde: PTOT= sumatoria de las potencia
A continuación se procederá a calcular la diferencia relativa porcentual ente el valor teórico y los resultados experimentales:
¿|Vt−VeVt |x 100 %
Encontrado Datos Reales
Los Datos reales (experimentales) fueron medidos directamente con un Tester donde:
30VV
VR se encuentra colocando el Tester en los extremos de las resistencias de todo el
circuito ya conectado y R se encuentra colocando el Tester en los extremos de la misma
forma que encontramos voltaje
pero cambiando el Tester a la función de ohmios Ω.
VD se encuentra colocando el Tester en los extremos del
diodo leds de todo el circuito ya conectado.
LOS DATOS OBTENIDOS DIRECTAMENTE DEL TESTER SE MUESTRAN EN LA SIGUIENTE TABLA:
RESISTOR R(Ω) VR(V) VD(V) I(mA) P=(mW)
R2 9.2 0.20 1.90 21.74 41.31
R3 9.2 0.09 1.94 9.78 17.81
R4 9.2 0.07 1.95 7.61 14.84
73.96Σ
CALCULOS DE LOS DATOS INGRESADOS A LA TABLA
- Para las corrientes
I 1=V R1
R1
I 1=0.029.8
I 1=0.002
31
V
I 2=V R2
R2
I 2=0.39.8
I 2=0.03
- Para las potencia
P1=V D1 I 1
P1=(2.50 )(0.002)
P1=0.005
P2=V D2 I 2
P2=(2.00 )(0.03)
P2=0.06
I 3=V R3
R3
I 3=0.229.8
I 3=0.022
I 4=V R2
R2
I 4=0.29.8
I 4=0.020
P3=V D3 I3
P3=(2.20 )(0.022)
P3=0.05
P4=V D4 I 4
P4=(2.11)(0.02)
P4=0.04
- Para encontrar la ITOT tenemos:
I TOT=∑ I
I TOT=I 1+ I 2+ I 3+ I 4
I TOT=0.002+0.03+0.022+0.020=0.074mA
32
- Para encontrar la potencia total tenemos:
PTOT=∑ P
PTOT=P1+P2+P3+P4
PTOT=0.05+0.06+0.05+0.04=0.2Watts
Memoria de Calculo
Los Diodos a utilizar son los siguientes:
Rojo de alto brillo, alta eficiencia y baja corriente
Amarillo
Verde
33
Para los cálculos siguientes se utiliza una corriente estimada de 14mA ya que ésta es
determinada por el fabricante pero esta principalmente oscila entre los valores de
10mA hasta 20mA.
Generando una Corriente Total IT de 0.042A.
Calculo para la potencia
- Calculo de la Potencia para el Rojo de alto brillo, alta eficiencia y baja
corriente:
De la ecuación:
P = IV
P1 = (14mA)(1.9V)
P1= 0.0266Watts
- Calculo de la Potencia para el Amarillo:
De la ecuación:
P = IV
P2= (14mA)(2V)
P2= 0.028Watts
- Calculo de la Potencia para el Verde:
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P = IV
P3 = (14mA)(2.1V)
P3 = 0.0294Watts
- Calculando la Potencia Total PT:
PT = P1 + P2 + P3
PT = 0.0266 Watts + 0.028 Watts + 0.0294 Watts
PT = 0.084 Watts
Calculo de la Velocidad.
Vel= 3√ 2PηρA
Donde:
P = 0.084 Watts = 0.084 J/s = 0.084 N/m.s = 0.084 kg/s3
η = Eficiencia = se supondrá de un 5%
ρ = Densidad del aire = 1.25 kg/m3
A = Área barrida por las aspas = πr2 siendo r = 0.055m
Vel= 3√2¿¿¿
Vel = 6.56 m/s
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Luego de obtener los resultados tanto teóricos como reales se calcula la Diferencia
Relativa Porcentual para verificar el error porcentual y el por que de dicho error, a
continuación se de detallan en el siguiente cuadro los datos obtenidos para después
hacer su respectiva comparación.
Diferencias Relativas porcentuales:
- Para la Corriente:-
DRP ¿¿Valor Teo−Valor Real∨ ¿Valor Teo
(100 %)¿
DRP ¿¿0.042−0.039∨ ¿0.042
¿(100%)
DRP = 7.143%
- Para la Potencia:
DRP ¿|Valor Teo−Valor Real|
Valor Teo(100 %)
DRP ¿|0.084−0.073|
0.084(100 % )
DRP = 13.095%
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Resultado
Corriente I(A)
Potencia P(Watts)
Velocidad Vel(m/s)
Teórico 0.042 0.084 6.56
Real 0.039 0.073 8.12
- Para la Velocidad:
DRP ¿|Valor Teo−Valor Real|
Valor Teo(100%)
DRP ¿|6.56−8.12|
6.56(100 %)
DRP = 23.781%
CONCLUSIONES
El prototipo diseñado para obtener corriente eléctrica por medio de energía eólica presenta un porcentaje de error de 7.14% esto posiblemente debido a las estimaciones de corriente asumidas por la capacidad de cada Led la cual varía de acuerdo a su color.
La potencia generada por el motor tiene un porcentaje de error de 13.095% mientras que la velocidad del viento en la aspas del generador presenta un error de 23.78% estas pérdidas son posiblemente debido a errores en los cálculos o mal uso de materiales de medición.
La potencia producida por el generador eólico es la suficiente para generar corriente eléctrica en los diodos leds, sin embargo mucha o casi toda de esta energía se pierde, ya que la potencia que produce el generador es mucho mayor que la capacidad de los leds.
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La obtención de energía eléctrica a través del aprovechamiento de las corrientes de aire representa un método viable y eficaz para suplir la demanda energética que se presenta en la actualidad, sin embargo, es necesario contar con las condiciones ambientales necesarias para poder llevar a cabo un proyecto de esta magnitud.
RECOMENDACIONES
Utilizar instrumentos de calidad a la hora de realizar las mediciones para obtener un
mejores resultados y si es posible buscar un mejor diseño para el generador de
manera que se aproveche completamente la producción de energia.
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BIBLIOGRAFIA
http://es.wikipedia.org/wiki/Viento
http://www.varelaenred.com.ar/el_aire.htm
http://www.google.com.sv/search?
hl=es&sa=N&rlz=1R2ADFA_esGT433&q=Energia+eolica&tbs=dfn:1&tbo=u&ei=jrnuT
b2sJ8Pq0QGn2JnfAw&ved=0CB8QkQ4&biw=1379&bih=779
http://www.dforceblog.com/2010/02/11/historia-de-la-energia-eolica/
http://www.monografias.com/trabajos14/energia-eolica/energia-eolica.shtml
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